第6章-汽油机混合气的形成和燃烧.优秀PPT.ppt

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1、汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 汽油机混合气的形成和燃烧汽油机混合气的形成和燃烧 第三篇第三篇 燃烧与排放燃烧与排放汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 汽油机混合气的形成和燃烧汽油机混合气的形成和燃烧 第第6章章 汽油机混合气的形成和燃烧汽油机混合气的形成和燃烧 6.16.1汽油机燃烧过程汽油机燃烧过程 图图6.1 6.1 汽油机的燃烧过程汽油机的燃烧过程着火落后期着火落后期 明显燃烧期明显燃烧期 补燃期补燃期 11起先点火起先点火 2 2形成火焰中心形成火焰中心 3 3最高压力点最高压力点 3点到达的时刻点到达的时刻对动力性和经对动力性和经济性有何影响济性有何影响对动力性

2、对动力性和经济性有和经济性有何影响何影响汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 汽油机混合气的形成和燃烧汽油机混合气的形成和燃烧 一、燃烧过程分解一、燃烧过程分解（1 1）着火落后期）着火落后期从火花塞点火到火焰核心形成的阶从火花塞点火到火焰核心形成的阶段，即从火花塞点火段，即从火花塞点火(点点1)1)至气缸压力线明显脱离压缩线至气缸压力线明显脱离压缩线而急剧上升时而急剧上升时(点点2)2)的时间或曲轴转角。也称滞燃期。目的时间或曲轴转角。也称滞燃期。目标：短且稳定。影响因素：标：短且稳定。影响因素：（2 2）明显燃烧期（急燃期）明显燃烧期（急燃期）指气缸压力线脱离压缩指气缸压力线脱离压缩

3、线起先急剧上升到压力达到最高点线起先急剧上升到压力达到最高点(图图6.16.1中中3 3点点)止。止。压压力上升率代表发动机工作粗暴度和等容度。力上升率代表发动机工作粗暴度和等容度。（3 3）后燃期）后燃期明显燃烧期终点明显燃烧期终点3 3至燃料基本上完全燃烧为至燃料基本上完全燃烧为止止 。尽量缩短此过程。尽量缩短此过程。汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 汽油机混合气的形成和燃烧汽油机混合气的形成和燃烧（4 4）各相关参数的选择）各相关参数的选择2 2点在上止点前曲轴转角点在上止点前曲轴转角12151215度度3 3点在上止点后点在上止点后12151215度到达度到达压力上升率限制在

4、压力上升率限制在0.1750.25MPa/(CA)0.1750.25MPa/(CA)整个燃烧持续期限制在整个燃烧持续期限制在40604060汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 汽油机混合气的形成和燃烧汽油机混合气的形成和燃烧 二、不规则燃烧二、不规则燃烧图图6.2 6.2 汽油机典型的气缸压力循环变更状况汽油机典型的气缸压力循环变更状况 缘由：缘由：危害：危害：（1 1）混合气成分波动）混合气成分波动 （1 1）动力性和经济性下降）动力性和经济性下降 （2 2）气体运动状态波动）气体运动状态波动 （2 2）环保性下降（）环保性下降（CHCH和噪声）和噪声）改善措施：改善措施：a=0.8

5、1.0a=0.81.0；气流速度和紊流强度；气流速度和紊流强度；点火（多点及；点火（多点及能量）能量）1）循环波动）循环波动 a=0.8,n=2000r/min,节气门全开a=1.22,n=2000r/min,节气门全开汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 汽油机混合气的形成和燃烧汽油机混合气的形成和燃烧 改善循环波动改善循环波动一一般般 时时循循环环波波动动最最小小，过过浓浓或或过过稀稀都都会会使使循循环环波波动动加加剧剧。可可见见过过量量空空气气系系数数对对循循环环波波动动的的影影响响很很大。大。适适当当提提高高气气流流运运动动速速度度和和湍湍流流程程度度可可改改善善混混合合气气的的

6、匀整性，进而改善循环波动。匀整性，进而改善循环波动。残余废气系数过大，则循环波动加剧残余废气系数过大，则循环波动加剧发发动动机机在在低低负负荷荷(会会增增大大)、低低转转速速(湍湍流流程程度度会会降降低低)时，循环波动加剧时，循环波动加剧多点点火有利于削减循环波动多点点火有利于削减循环波动提提高高点点火火能能量量、优优化化放放电电方方式式、接接受受大大的的火火花花塞塞间间隙隙,有助于减小循环波动有助于减小循环波动 各缸不匀整性：各缸之间混合气含量与充气量不同；各缸不匀整性：各缸之间混合气含量与充气量不同；缘由：进气干涉、进气支管差别、进气速度、紊流状缘由：进气干涉、进气支管差别、进气速度、紊流

7、状态不同、油膜厚度蒸发条件不同等。态不同、油膜厚度蒸发条件不同等。影响：难以确定最佳点火提前角和过量空气系数，动影响：难以确定最佳点火提前角和过量空气系数，动力性、经济性和排放性难以优化力性、经济性和排放性难以优化措施：进气系统设计措施：进气系统设计、进气阻力、各零件安装位置、进气阻力、各零件安装位置汽油机汽油机MPI后，各缸进气支管基本保持一样后，各缸进气支管基本保持一样改善各改善各缸不匀整性。但气道内壁及进门处的油膜、各缸湍流缸不匀整性。但气道内壁及进门处的油膜、各缸湍流状态不完全一样等，各缸不匀整性确定程度上仍旧存状态不完全一样等，各缸不匀整性确定程度上仍旧存在。在。GDI技术将进一步改

8、善各缸不匀整性。技术将进一步改善各缸不匀整性。2)各缸燃烧差异：各缸燃烧差异：由各缸不匀整性造成。由各缸不匀整性造成。三、不正常燃烧三、不正常燃烧1）爆燃：火花塞点火后，末端气体的自燃现象）爆燃：火花塞点火后，末端气体的自燃现象 缘由：点火后，末端气体受火焰面热辐射、压缩，其缘由：点火后，末端气体受火焰面热辐射、压缩，其压力温度压力温度，在火焰前锋到达之前自燃。，在火焰前锋到达之前自燃。特证：燃烧速度极快，达数百米特证：燃烧速度极快，达数百米/s，造成很大的压力，造成很大的压力梯度、温度梯度梯度、温度梯度压力冲击波。压力冲击波。危害：严峻时动力性危害：严峻时动力性/经济性经济性/排放性恶化；活

9、塞排放性恶化；活塞/气门气门烧坏烧坏;故汽油机不故汽油机不允许在严峻允许在严峻爆振下工作爆振下工作产生爆振的条件：产生爆振的条件：t1 t2t1：点火起先到火焰传播到末端气体所需时间；：点火起先到火焰传播到末端气体所需时间；t2：点火起先末端气体自燃所经验时间。点火起先末端气体自燃所经验时间。一切使一切使t1延长、延长、t2缩短的因素，均使爆燃倾向缩短的因素，均使爆燃倾向 外部现象：金属敲击声外部现象：金属敲击声冲击波撞击缸壁冲击波撞击缸壁(30007000Hz)(30007000Hz)；功率、转速下降，工作不稳定。机身振动增大；功率、转速下降，工作不稳定。机身振动增大；冷却系过热冷却系过热破

10、坏缸壁表面附面层；破坏缸壁表面附面层；严峻时冒黑烟。严峻时冒黑烟。正常燃烧正常燃烧稍微爆振稍微爆振严峻爆振严峻爆振影响爆燃因素影响爆燃因素（燃料特性、运转参数和燃烧室结构参（燃料特性、运转参数和燃烧室结构参数）数）：燃料的性质：辛烷值高，抗爆性强燃料的性质：辛烷值高，抗爆性强末端气体状态：末端气体状态：p、T高，易自燃高，易自燃爆振倾向爆振倾向 ；如压；如压缩比缩比 负荷转速：负荷转速：n ，传播速度，传播速度，爆振倾向爆振倾向；低速大负荷低速大负荷相反，相反，爆振倾向爆振倾向 缸径缸径D：D，传播距离长，传播距离长，爆振倾向爆振倾向。故，汽油机限制大缸径发动机故，汽油机限制大缸径发动机 功率

11、覆盖范围受限制。功率覆盖范围受限制。2）表面点火）表面点火炙热表面：排气门炙热表面：排气门/火花塞裙火花塞裙部部/积炭等。积炭等。特点：点火时刻不行限制。特点：点火时刻不行限制。早燃：表面点火发生在正常早燃：表面点火发生在正常 点火之前；点火之前；工作粗暴，诱发爆燃；工作粗暴，诱发爆燃；无压力冲击波，低频沉闷声。无压力冲击波，低频沉闷声。后燃：表面点火发生在正常后燃：表面点火发生在正常 点火之后。点火之后。指不靠火花塞而是由燃烧室内炙热表面点燃的指不靠火花塞而是由燃烧室内炙热表面点燃的现象。现象。1）a：a=0.850.95时，燃烧速度最大时，燃烧速度最大 Pe、Tz、p/Max;a=1.05

12、1.15时，完全燃烧，时，完全燃烧，beMin，NOxMax；a1时时，O2不足，不足，CO；a1.15时，燃烧速度慢，时，燃烧速度慢，部分燃料来不及完全燃烧部分燃料来不及完全燃烧;be，HC 四、四、运转运转因素对燃烧过程的影响因素对燃烧过程的影响结论：均质混合气结论：均质混合气 a对燃烧过对燃烧过程影响很大，必需严格限制。程影响很大，必需严格限制。2）点火提前角：）点火提前角：指火花塞跳火时刻到上止点的曲轴转角。指火花塞跳火时刻到上止点的曲轴转角。不同点火提前角对燃烧过程影响：不同点火提前角对燃烧过程影响：即每一工况存在最佳点火提前角即每一工况存在最佳点火提前角随工况变更随工况变更最佳点火

13、提前角：最佳点火提前角：Pe Max；be Min；示功图面积最大。示功图面积最大。最佳点火时刻的确定方法最佳点火时刻的确定方法点火调整特性。点火调整特性。点火过早点火过早：压缩负功：压缩负功，pz ,T ,易爆燃；易爆燃；点火过迟点火过迟：燃烧过程在膨胀线上延迟：燃烧过程在膨胀线上延迟传热传热，排温排温 热效率热效率 3）负荷增加，节气门开度）负荷增加，节气门开度，m1 ，减小；减小；燃烧条件得到改善，燃烧所需时间燃烧条件得到改善，燃烧所需时间t缩短缩短 对应曲轴转角减小对应曲轴转角减小最佳点火提前角最佳点火提前角。但随负荷增大，缸压和温度上升，爆燃倾向增加。但随负荷增大，缸压和温度上升，爆

14、燃倾向增加。=6nt4）转速）转速n：n，缸内湍流强度，缸内湍流强度，火焰传播速度，火焰传播速度；燃烧过程所占时间燃烧过程所占时间t缩短；缩短；爆震倾向爆震倾向。但，由但，由=6nt；随；随n ，t变更量很小，而变更量很小，而；最佳点火提前角最佳点火提前角。最佳点火提前角随负荷的变更最佳点火提前角随负荷的变更 一一、混合气浓度与发动机性能的关系、混合气浓度与发动机性能的关系 理论上：理论上：a=1时完全燃烧，时完全燃烧，事实上：事实上：a=1.031.15时接近完全燃烧时接近完全燃烧 因缸内混因缸内混 合气非匀整；残余废气稀释作用干脆影响燃烧。合气非匀整；残余废气稀释作用干脆影响燃烧。称此混合

15、气为经济混合气称此混合气为经济混合气 ab。a1.031.15时：富氧，可完全燃烧；但燃料密度小，时：富氧，可完全燃烧；但燃料密度小，放热少，燃烧压力和温度低，燃烧速度放热少，燃烧压力和温度低，燃烧速度动力性、动力性、经济性下降，经济性下降，NOx排放也降低。排放也降低。6.2汽油机混合气制备原理汽油机混合气制备原理 a=1.31.4时：混合气过稀，燃料分子间距增大；时：混合气过稀，燃料分子间距增大；氧化速率氧化速率，放热，放热散热散热 热量不能积累；热量不能积累；火焰难传播而熄火。火焰难传播而熄火。称该混合气浓度为着火下限。称该混合气浓度为着火下限。a=0.80.9时：燃料密度相对较高，氧气

16、浓度足够时：燃料密度相对较高，氧气浓度足够 燃烧速率最快，热损失最小燃烧速率最快，热损失最小 动力性最好。动力性最好。称此混合气为功率混合气称此混合气为功率混合气 aP。但但因不完全燃烧因不完全燃烧be、CO、HC a轴重量轴重量大时大时轴向分层轴向分层 2)2)横向分层淡薄燃烧横向分层淡薄燃烧(三菱公司三菱公司MVV-Mitsubishi MVV-Mitsubishi vertical vortex-vertical vortex-燃烧系统燃烧系统)利用利用4 4气门机构，接受滚流式进气道，协作活塞顶结构气门机构，接受滚流式进气道，协作活塞顶结构形态，形成滚流。形态，形成滚流。喷油器安装在进

17、气支喷油器安装在进气支管，向两个进气门之间管，向两个进气门之间喷油，火花塞布置在气喷油，火花塞布置在气缸中心缸中心 滚流的引导下浓混合气经过滚流的引导下浓混合气经过火花塞；而火花塞两侧为纯空火花塞；而火花塞两侧为纯空气，气，形成以火花塞为中心的形成以火花塞为中心的横向混合气浓度梯度分布横向混合气浓度梯度分布 A/F=23，经济性，经济性 68%，NOx 80%汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 汽油机混合气的形成和燃烧汽油机混合气的形成和燃烧 3 3缸内直喷式淡薄燃烧方式缸内直喷式淡薄燃烧方式 缸内干脆喷射缸内干脆喷射(GDI(GDI，gasoline direct injection

18、)gasoline direct injection)是是指干脆往气缸内喷射汽油指干脆往气缸内喷射汽油 三三菱菱G GD DI I燃燃烧烧系系统统 螺旋进气道螺旋进气道或导气屏或导气屏进气涡流进气涡流 顺着气流喷油，喷顺着气流喷油，喷射压力射压力 2MPa气流外缘形成较浓混合气流外缘形成较浓混合气气火花塞安装火花塞安装 位置位置典型的典型的GDI分层稀燃系统分层稀燃系统 TCCS燃烧系统（燃烧系统（Texaco controlled combustion process）燃气体和未燃气体和未燃气体靠密燃气体靠密度差分别度差分别 GDI滚流分层稀燃系统滚流分层稀燃系统三菱三菱4G型汽油机：型汽油

19、机：早喷射早喷射晚喷射晚喷射纵向直进气道纵向直进气道+半球形半球形燃烧室燃烧室猛烈的反滚流猛烈的反滚流与喷雾协作，分层与喷雾协作，分层A/F=40，=12 丰田丰田D4型汽油机：型汽油机：通过喷射方式的有效限制通过喷射方式的有效限制和燃烧室内涡流的优化匹和燃烧室内涡流的优化匹配配实现实现A/F=50稳定燃烧稳定燃烧 汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 汽油机混合气的形成和燃烧汽油机混合气的形成和燃烧 GDI GDI 特点特点不能接受已特别成熟的传统三效催化剂，稀燃催不能接受已特别成熟的传统三效催化剂，稀燃催化剂开发难度大，生产成本高化剂开发难度大，生产成本高 越接近压缩上止点喷油，混合

20、气形成时间越短，越接近压缩上止点喷油，混合气形成时间越短，要想形成高质量的燃油混合气，要想形成高质量的燃油混合气，GDIGDI燃烧系统须要燃烧系统须要像柴油机那样对像柴油机那样对“油油-气气-燃烧室燃烧室”三者的匹配进三者的匹配进行大量工作行大量工作 GDIGDI燃烧系统虽然燃烧系统虽然NOxNOx明显降低，但明显降低，但HCHC排放增加，排放增加，有时燃烧组织不好甚至冒黑烟有时燃烧组织不好甚至冒黑烟 汽油比柴油的润滑性差，汽油比柴油的润滑性差，GDIGDI燃烧系统对喷油系统燃烧系统对喷油系统要求很高，要求很高，GDI GDI用喷油器的设计制造特别困难用喷油器的设计制造特别困难 汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 汽油机混合气的形成和燃烧汽油机混合气的形成和燃烧